1、科 技 信 息iq*1T s s + 1K i P +K vsK P W M0 . 5 T s s + 1e q1 / R( L / R ) s + 1id三 相 电 压 型 P W M 整 流 器 双 闭 环 系 统 设 计 与 仿 真河 北 省 保 定 热 电 厂 支 宝 威 华 北 电 力 大 学 控 制 科 学 与 工 程 学 院 张 晓 东 摘 要 文 中 分 析 了 三 相 电 压 型 P W M 整 流 器 在 旋 转 d q 坐 标 系 中 的 简 化 数 学 模 型 , 运 用 前 馈 解 耦 控 制 策 略 得 到 三相 电 压 型 P W M 整 流 器 的 电 流 解
2、耦 模 型 , 根 据 该 模 型 , 提 出 了 三 相 P W M 整 流 系 统 双 闭 环 系 统 调 节 器 的 整 定 方 法 ,并 通 过 仿 真 验 证 了 该 整 定 法 的 可 行 性 。 关 键 词 P W M 整 流 器 P I 调 节 器 解 耦 闭 环 控 制O-+us cus aus bRRRLLLiaibicid c iLud c C+-i q*iqidi q*P 1P I L LeqedvdvqP W Mi ai bi c作 者 简 介 ： 支 宝 威 ( 1 9 7 9 - ) , 男 , 电 气 工 程 师 。 张 晓 东 ( 1 9 7 9 - ) ,
3、男 , 博 士 研 究 生 , 研 究 方 向 : 电 力 拖 动 及 自 动 化 。1 引 言由 于 全 控 器 件 的 不 连 续 性 以 及 系 统 模 型 的 电 流 耦 合 性 ,给 系 统 设 计 带 来 了 困 难 。 因 此 , 本 文 根 据 文 献 1 中 所 提 到 的 前馈 解 耦 控 制 策 略 , 首 先 对 三 相 电 压 型 P W M 整 流 器 ( V S R ) 进 行解 耦 , 得 到 d q 旋 转 坐 标 系 中 的 电 流 解 耦 模 型 。其 次 , 三 相 V S R 系 统 的 控 制 有 多 种 方 式 , 其 中 双 闭 环 控 制系 统
4、 由 于 控 制 结 构 简 单 、 控 制 性 能 优 良 等 优 点 被 广 泛 采 用 。 因此 , 本 文 根 据 三 相 V S R 系 统 设 计 要 求 , 提 出 了 较 为 可 行 的 双 闭环 系 统 设 计 方 案 并 进 行 仿 真 验 证 。2 三 相 P W M 整 流 器 数 学 模 型三 相 电 压 型 P W M 整 流 器 电 路 拓 扑 结 构 如 图 1 所 示 。图 1 三 相 电 压 型 P W M 整 流 器 主 电 路 拓 扑 结 构三 相 V S R 拓 扑 结 构 主 要 包 括 交 流 侧 电 压 源 、 交 流 侧 的 电感 、 电 阻
5、、 直 流 电 容 以 及 由 全 控 开 关 器 件 和 续 流 二 极 管 组 成 的三 相 全 桥 电 路 。 假 设 电 网 电 压 三 相 对 称 稳 定 , 根 据 基 尔 霍 夫 定定 律 , 由 图 1 可 列 出 系 统 微 分 方 程 如 下 :Ld iad t+ R ia= ea- va 0Ld ibd t+ R ib= eb- vb 0Ld icd t+ R ic= ec- vc 0id c= saia+ sbib+ scic!#“#$( 1 )式 中 , ea、 eb、 ec 交 流 侧 电 压 源 ;R 、 L 交 流 侧 等 效 电 阻 、 等 效 电 感 ;va
6、 0、 vb 0、 vc 0 整 流 器 输 出 电 压 ;sa、 sb、 sc 桥 路 开 关 函 数 。通 过 坐 标 变 换 , 三 相 电 压 型 P W M 整 流 器 在 d q 旋 转 坐 标系 中 的 模 型 可 描 述 为 :edeq%vd, vq 三 相 V S R 交 流 侧 电 压 矢 量 的 d 、 q 分 量 ;id, iq 三 相 V S R 交 流 侧 电 流 的 d 、 q 分 量 ;p 微 分 算 子 。从 三 相 V S R d q 模 型 方 程 式 ( 2 ) 可 看 出 , 由 于 V S R d 、 q 轴变 量 相 互 耦 合 , 因 而 设 计
7、 造 成 一 定 困 难 。 为 此 , 可 采 用 前 馈 解耦 控 制 策 略 , 当 电 流 调 节 器 采 用 P I 调 节 器 时 , 则 vd、 vq的 控 制方 程 式 如 下 :vd= - ( Ki p+Ki Is) ( id*- id) - L iq+ ed( 3 )vq= - ( Ki p+Ki Is) ( iq*- iq) - L id+ eq( 4 )式 中 , Ki p、 Ki I 电 流 内 环 比 例 调 节 增 益 和 积 分 调 节 增 益iq*、 id* iq、 id电 流 指 令 值 。将 式 ( 3 ) 、 式 ( 4 ) 带 入 式 ( 2 ) ,
8、并 化 简 得pidiq%m P W M 调 制 比 ( m 1 )综 合 分 析 可 得 三 相 V S R 电 压 外 环 控 制 结 构 , 如 图 4 所 示 。图 4 三 相 V S R 电 压 外 环 控 制 结 构 图在 图 4 中 , 0 . 7 5 m c o s 可 进 行 近 似 处 理 为 一 比 例 增 益 0 . 7 5 3 。 将电 压 采 样 小 惯 性 时 间 常 数 v与 电 流 内 环 等 效 小 时 间 常 数 3 Ts合 并 , 即 Te v= v+ 3 Ts, 且 不 考 虑 负 载 电 流 iL扰 动 , 经 简 化 的 电 压外 环 控 制 结
9、构 如 图 5 所 示 。图 5 三 相 V S R 电 压 外 环 控 制 结 构 图由 于 电 压 外 环 的 主 要 控 制 作 用 是 稳 定 三 相 V S R 直 流 电 压 ,故 其 控 制 系 统 整 定 时 , 应 着 重 考 虑 电 压 外 环 的 抗 扰 动 性 能 。为 使 电 压 外 环 具 有 较 好 的 抗 扰 动 性 能 , 可 采 用 “ 模 最 佳 ”原 则 确 定 系 统 电 压 调 节 器 参 数 , 经 整 定 后 的 P I 参 数 为 :Kv=2 C3 Te vTv= 4 Te v%( 9 )4 三 相 V S R 控 制 系 统 分 析 与 仿
10、真运 用 M A T L A B / S I M U L I N K 仿 真 软 件 对 系 统 进 行 仿 真 分 析 ,并 且 验 证 上 述 双 闭 环 系 统 调 节 器 整 定 方 法 的 可 行 性 。根 据 上 述 双 闭 环 系 统 调 节 器 的 整 定 方 法 可 分 别 算 出 电 流 内环 以 及 电 压 外 环 调 节 器 参 数 , 并 由 此 可 对 系 统 进 行 仿 真 分 析 。图 6 中 的 响 应 曲 线 为 “ 模 最 佳 ” 电 压 外 环 整 定 曲 线 与 典 型 系 统 整 定 曲 线 的 对 比 。 由 图 中 可 看 出 , 由 “ 模 最
11、 佳 ” 整 定 法 设 计 调节 系 统 不 仅 具 有 良 好 的 抗 扰 动 性 能 , 而 且 较 快 的 动 态 响 应 速 度 。图 6 两 种 电 压 调 节 器 设 计 方 案 阶 跃 响 应 曲 线由 于 “ 模 最 佳 ” 法 整 定 后 的 系 统 闭 环 传 递 函 数 分 子 中 有 一比 例 微 分 项 , 它 使 相 角 裕 量 减 小 , 增 大 了 超 调 量 。 因 此 可 以 在系 统 的 前 面 加 一 给 定 滤 波 器 , 以 抵 消 闭 环 传 递 函 数 分 子 中 的微 分 项 , 减 小 超 调 量 。 加 入 给 定 滤 波 器 前 后 系
12、 统 的 响 应 曲 线 如图 7 所 示 。图 7 加 入 给 定 滤 波 器 前 后 的 系 统 响 应 曲 线5 结 论通 过 仿 真 试 验 可 看 出 , 三 相 电 压 型 P W M 整 流 器 电 压 内 环采 用 典 型 型 系 统 调 节 方 式 进 行 的 调 节 器 参 数 整 定 对 系 统 电流 具 有 较 快 的 跟 踪 能 力 , 而 电 压 外 环 通 过 “ 模 最 佳 ” 整 定 法 得到 的 系 统 响 应 不 仅 能 够 满 足 系 统 设 计 要 求 , 而 且 相 比 采 用 典型 阶 系 统 整 定 法 得 到 的 调 节 系 统 具 有 更 良
13、 好 的 抗 扰 动 性能 , 动 态 响 应 速 度 也 得 到 了 明 显 的 改 善 。参 考 文 献 1 Y e Y , K a z e r a n i M , Q u i n t a n a V H . A n o v e l m o d e l i n g a n dm e t h o d f o r t h r e e - p h a s e P W M c o n v e r t e r s . P E S C . 2 0 0 1 I E E E 3 2A n n u a l . 2 0 0 1 , 1 : 1 0 2 1 0 7 2 李 友 善 主 编 , 自 动 控 制 原
14、 理 M . 北 京 : 国 防 工 业 出 版社 , 1 9 8 0 3 张 崇 巍 , 张 兴 . P W M 整 流 器 及 其 控 制 M . 北 京 : 机 械 工业 出 版 社 , 2 0 0 3 . 1 0 : 6 2 1 4 8 4 魏 泽 国 . 可 控 硅 串 级 调 速 的 原 理 及 应 用 M . 北 京 : 冶 金工 业 出 版 社 , 1 9 8 5 . 8 : 1 3 8 1 8 1vd c*Ks( 1 + Tss )TssWe l( s ) 0 .7 5 m c o s Imid ciL1C svd c11 + tsvd c*K s ( 1 + Tss )Ts
15、s0 . 7 5Te rs + 11s Cvd c6 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 0 00- 1 0 0电 压 / V“ 模 最 佳 ”鉴 定 曲 线典 型 型鉴 定 曲 线0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2t / s1 . 61 . 41 . 210 . 80 . 60 . 40 . 20- 0 . 20 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1电 压 ( p u ) / v有 给 定 虑 波 器没 有 给 定 虑 波 器t / s博 士 专 家 论 坛1 4
